「貓？狗？傻傻分不清楚！」——大腦如何進行分類與決策

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作者： @CCecho

校對： @Cohen

審稿： @東華君

「真亦假時假亦真，無為有處有還無！」——曹雪芹《紅樓夢》

12萬年前的叢林中，一位中年的女性尼安德特人正在教導她的孩子如何採摘正確的果實。當她的孩子摘下一串鮮紅的果實時，這位富有經驗的母親果斷地打掉他手上的果實，並告知他這是有毒的，旁邊那些暗紅色的果實才是可以食用的。

如今，我們無時無刻不在觀察周邊的事物，區分他們的種類和真假。當我們看到房子、樹木、他人的面孔時，我們總能快速的對它們進行分類。又或在一個舞會現場，我們能夠在這一刻快速的找到心儀的舞伴，並在下一刻避開那些討厭的人。而我們的視覺分類能力在面對情景混亂時，比如一些視覺錯覺下它們就會失靈。

生活中，一名退休的大爺能夠很快地學會籃球是怎麼打的，然而對一個小寶寶而言，能夠分辨貓貓狗狗們就已經十分困難了。在學習方面，處於生命不同階段的人類具有如此不「平行」的行為能力表現。我們大量的行為無論是直接或者間接，都受到我們這些經驗的指導（所以學習很重要！！！）。

科學家對於大腦的這種「本領」十分著迷。芝加哥大學的神經科學家David Freedman認為對於大腦學習能力的理解應該重點放在一些特定的認知功能上，例如學習、記憶、決策以及三者之間的交叉處——視覺分類能力。人類和一些哺乳動物可以熟練的將看到的物體進行分類，甚至我們只需要瞄一眼就可以從汽車（car）中發現一隻貓（cat），而其他動物則能夠基於感覺信息做出一些決策和判斷——吃或者被吃。

早在柏拉圖時期，哲學家們就開始探討人們是如何做出決策的，那時一批人認為它就像是大腦中理智與情感的戰爭，而我們的那些經驗是平衡戰爭的關鍵。如今的科學家也逐漸找到了這些戰場——負責「理智」的前額葉皮層和負責「情感」的杏仁核與腦島。

在近些年的一系列研究中，Freedman等人發現了一些負責視覺分類的腦區與神經迴路。他們發現頂葉和前額葉皮層負責這類更高級的認知功能。在這些腦區中單個神經元的活動可以預測分類與決策的行為。

早在1989年，研究者們就訓練獼猴通過眼動來判斷隨機點運動的方向。過程中，隨機點中只有部分點的運動是一致的，其餘的點則是完全隨機的運動。獼猴需要判斷這些運動方向一致的點是向左還是向右，並且通過向相同方向掃視來報告自己的判斷。研究發現，在側頂葉區域，遠在獼猴做出最終的眼動抉擇之前，獼猴觀察隨機點並進行思考是否要選擇目標時，這些神經元的發放頻率就會開始發生變化。例如，當隨機點的運動方向與神經元的感受野一致時，神經元的發放率會上升。這表明決策與行為可能被編碼在同一個神經系統的「框架」中，在這個框架中做出的決策與執行這個動作是分不開的。

但是，我們不清楚在進行分類學習時大腦內究竟發生了什麼，學習過程又是如何影響腦內的神經環路的。Freedman等人想知道是不是眼動任務中的運動的控制掩蓋了側頂葉的實際功能，所以他們進行了一系列實驗：在學習視覺分類前、中、後三個階段對這些腦區進行了記錄。

「這是一項更複雜、涉及更多認知功能的任務。在這個任務中，決策不只是基於刺激的方向，也基於它們在之前的試次中獲得的經驗。」Freedman說道，「這個決策是關於獼猴剛剛看到了什麼類別，而不依賴於之後做出反應的行動。這就是我們將運動部分和感覺部分分開的方法。」

Freedman等人在2016年Nature上發表的了他們的研究，他們讓獼猴進行一項簡單的視覺辨識「遊戲」：當電腦屏幕上的視覺圖案向一個特定方向移動時，獼猴需要握住拉杆，接著會有一段短暫的黑屏，第二個移動的圖案會緊接著出現。如果它與第一個圖案的方向一致，獼猴就需要鬆開拉杆以獲得獎勵。如果它們做出錯誤的反應則沒有獎勵。

緊接著他們又使用了第二個行為範式用以研究視覺分類。與第一個任務類似，實驗開始時仍是相同的移動視覺圖案出現在屏幕上，接著是一個短暫的延遲，但之後獼猴除了要判斷運動方向外，還要區分出第二個圖案是否和第一個同屬一個類型（共有藍色和紅色兩種類型）。

「為了完成這個任務，獼猴不得不學習全新的視覺分類經驗。」Freedman說到，「它們必須去記憶第一個圖案和它的分類，進而與第二圖案進行比較進而做出正確的反應。在獼猴執行任務的過程中通過對神經元的記錄，我們能夠看到它們的大腦在學習過程究竟發生了什麼。」

Freedmam將研究重點放在了與視覺分類相關的兩個腦區——前額葉皮層和後頂葉皮層（尤其是側頂葉）。前額葉皮層的神經元活動表現出在識別圖案過程時，大腦中短時存儲信息的功能。這個與記憶相關的神經活動主要是在兩個圖案之間的延遲部分時，通過神經元的持續性放電活動所編碼。然而，後頂葉神經元表現出了不一樣的活動方式：在第一個任務中（學習分類之前），這些神經元能夠精確的對運動圖示進行編碼表征，但是在延遲期卻沒有任何活動。這說明它們並不參與信息在短時記憶中的存儲，而在第二個任務中（學習分類之後），這些神經元在任務中的每個階段都有被激活。

不難看出，在神經元層面，決策可能與分類密切相關。因為側頂葉變成了分類經驗的「聚集地」，並在它們之間進行選擇。為了做出選擇，無論是平時我們決定喝蘇打水，還是是否要吃隔夜的漢堡，我們的大腦必須用分類系統來區分不同的選擇，而頂葉可能是這些類別被分類並做出決定的地方。

以前的研究發現前額葉和頂葉皮層的功能在視覺分類任務上十分相似，儘管兩個腦區之間的距離較遠。但是這些新的研究結果表明二者之間的差異。雖然仍舊不清楚頂葉神經元為什麼會在學習過程中發生功能上的變化，但是Freedman等人已經發現了一些證據表明這些腦區不僅僅具有獨立的操作能力，而且在分類學習中具有協同作用。他們認為頂葉皮層可能在視覺分類學習上具有主導作用，但是這需要更多的實驗去證明它。

參引文獻

Newsome, W. T., Britten, K. H., & Movshon, J. A. (1989). Neuronal correlates of a perceptual decision. Nature, 341(6237), 52.

Freedman, D. J., & Assad, J. A. (2011). A proposed common neural mechanism for categorization and perceptual decisions. Nature Neuroscience, 14(2), 143-6.

Sarma, A., Masse, N. Y., Wang, X. J., & Freedman, D. J. (2016). Task-specific versus generalized mnemonic representations in parietal and prefrontal cortices. Nature neuroscience, 19(1), 143.

Swaminathan, S. K., & Freedman, D. J. (2012). Preferential encoding of visual categories in parietal cortex compared to prefrontal cortex. Nature Neuroscience, 15(2), 315-320.

Katsuki, F., & Constantinidis, C. (2013). Time course of functional connectivity in primate dorsolateral prefrontal and posterior parietal cortex during working memory. Plos One, 8(11), e81601.

楊天明. (2014). 大腦中的抉擇神經元. 生命科學, 26(12), 1266-1272.